三維激光掃描技術檢測測繪成果精度的應用

秦紅艷

(廣州市城市規劃勘測設計研究院 ，廣東 廣州 510060)

精度檢測是測繪成果質量檢查驗收的主要內容[1]。精度檢測主要包括平面絕對位置精度、平面相對位置精度(地物點間距精度)、高程精度檢測、地理精度檢測。傳統測繪成果精度檢測過程復雜，包括架設儀器野外實測檢查平面絕對位置精度、高程精度；現場采用皮尺或測距儀檢查平面相對位置精度；現場巡視比對的方式檢查地理精度。

三維激光掃描儀是測繪領域的新技術，獲取的數據由點云和影像組成，不僅記錄了地物地貌的坐標數據和尺寸信息，更能自動記錄其拓撲信息、紋理信息[2]，已在古建筑保護[3]、數字城市[4]、地形測繪等方面得到應用[5-7]。然而，其測繪成果的檢測仍采用傳統測繪成果檢測方法[8]。

發明專利“地面激光掃描儀測量地形的方法”[9]采用地面三維激光掃描儀實現對大比例尺地形圖的測量，使得外業測量效率與傳統方法相比提高3～4倍，自動化程度顯著提高，減輕了測量人員的外業工作量。本文在此基礎上，系統全面地研究采用三維激光掃描技術檢測測繪成果精度的方法，并驗證其可靠性和效率。本方法與文獻[9]的專利共同構成完整的三維激光掃描測繪生產技術體系。

1 檢測方案

如圖1所示采用三維激光掃描技術獲取高精度點云數據[9]，基于點云數據提取檢查點、高程點等元素，檢測測繪成果的精度。具體技術流程如下：

1)抽取檢查樣本，選擇擬檢測地形圖圖幅，確定檢查區域；

2)采集檢查區域點云及測站站心大地坐標；

3)檢查區域內各測站數據拼接及坐標轉換；

4)利用站心大地坐標對點云精度自檢；

5)采用檢測合格的點云數據檢測大比例尺地形圖的平面絕對位置精度、高程精度、平面相對位置精度、地理精度。

圖1 精度檢測的技術流程

2 測繪成果指標及樣本抽取

2.1 檢測對象

選擇2016年廣州市某地形測繪項目的C作業區，檢測對象為全野外數字化測圖方法測繪的1∶500地形圖，包含居民地、農田、池塘、植被、山地等典型地理要素。

2.2 測繪基準及分幅標準

采用廣州市平面坐標系統、廣州市高程系統，分幅標準采用廣州市地形圖分幅及編號。

2.3 地形圖精度要求

等高距采用0.5 m，城市建筑區高程注記點相對于鄰近圖根點的高程中誤差不得大于±15 cm。其它地區高程精度以等高線插求點的高程中誤差來衡量，平地和丘陵地的等高線插求點的高程中誤差分別為1/3和1/2基本等高距。明顯地物點相對于鄰近控制點的點位中誤差及地物間距要求見表1。

表1 地物點點位中誤差與間距中誤差 cm

2.4 檢查樣本

按照國家標準[1]在待檢測的地形圖中抽取檢查圖幅，確定檢查區域分布。

3 高精度點云數據的獲取

3.1 外業數據采集

采用RieGL VZ400三維激光掃描儀及同軸GPS進行外業數據采集(儀器安置于汽車頂部)[9]。在抽取的圖幅范圍實施360°掃描(車輛制動)，點云密度設為4～6 cm(距離儀器100 m處的點間距)，掃描測站間的距離不宜大于50 m。采用廣州市GZCORS網絡基準站，在滿足RTK作業條件的區域，同步采用GPS-RTK測量站心大地坐標。

本案例在該作業區地形圖質量檢測中共掃描測量86站，其中GZCORS-RTK同步測量62站。

3.2 點云拼接及坐標轉換

為了減小拼接累積誤差，本文對較大區域細分，使細分測塊內測站數控制在5～30個測站以內，按照測塊分別進行點云拼接和坐標轉換。由于本文旨在地形圖的精度檢測，不存在制圖接邊問題，所以區域劃分不需要沿河流、道路劃分，增加了區域劃分的自由度。

各分塊內測站配準，先選擇一個視野開闊的測站，作為固定的基準測站，其他測站兩兩依次拼接。 拼接分為兩個步驟：粗拼接和拼接調整。粗拼接選擇4個同名地物點，拼接殘差在1～6 cm以內。拼接調整采用ICP算法，提高匹配精度[10]。

在測塊周邊和中心選擇5個已測大地坐標的站心點，將測塊點云轉換到大地坐標下[11]，轉換后內符合精度計算結果見表2。

表2 坐標轉換內符合精度計算表 m

3.3 點云精度自檢

比較測塊GPS測量的站心點坐標與坐標轉換的站心坐標，計算測塊點云精度。如果不滿足精度要求，重新選擇四角或周邊站心大地坐標，重復步驟三的坐標轉換；若仍不能滿足精度要求，則對測塊再次一分為二，重復執行步驟三的拼接誤差調整和坐標轉換。本文某測塊點云外符合精度計算見表3。

表3 點云外符合精度計算表 m

4 測繪成果精度評價

利用自檢合格的點云數據進行測繪成果平面絕對位置精度、高程精度、平面相對位置精度、地理精度的檢測。

4.1 平面絕對位置精度

采用擬合提取特征點比對坐標的方法檢測平面絕對位置精度，實施步驟：

1)點云按照平行于XOY面水平剖切，參照點云的完整性選擇剖切處的點云高度，切片厚度1～2 cm，得到切片點云；

2)在切片點云中檢索擬檢測地形特征點的近鄰域點云；

3)采用魯棒迭代最小二乘算法基于近鄰域點云擬合地形特征點[12]：

step1 對近鄰域點云采用最小平方中位數法選擇擬合的直線模型；

step2 將該直線模型作為初始模型迭代調用最小二乘法，通過逐漸剔除異常點，不斷精煉模型，得到最終精確的直線模型；

step3 刪除直線模型擬合所采用的點云，利用剩余點云再次執行a、b。當剩余點云數目少于某設定閾值時，停止迭代；

step4 擬合得到一組直線模型；

step5 計算直線的彼此交點，一般房屋、圍墻等角點的近鄰域內只會得到兩條直線；如圖2所示當近鄰域內出現多個交點時，選擇距離擬檢測地形特征點最近的點作為比對點。

圖2 切片點云擬合特征點

4)與地形圖上特征點坐標進行比對，對于超限的比對點，依次交互式檢查，剔除算法擬合的錯誤交點；

5)將點云中提取的特征點與地形圖同名點進行坐標比對，計算平面點位的較差中誤差，評價地形圖平面絕對位置精度。

4.2 高程精度

地形圖高程精度檢測主要是高程注記點和等高線插求點的高程精度檢測。比較方法可以采用算法擬合或在三維點云中交互式提取。算法擬合步驟如下：

1)采用濾波算法將三維點云分割為地面點和非地面點[13-14]；

2)在地面點中，根據擬檢測高程點搜索近鄰域點集(點數可設為10個左右)；

3)計算近鄰域點集的重心，作為點云擬合高程。

本實施案例將擬合或者交互式提取的高程點，與地形高程點的高程進行比較，計算高程較差中誤差，評價地形圖的高程精度。圖3所示為地面點云與地形圖疊加，高程點和點云比較顯示效果。

圖3 高程注記點與激光點云高程的比較

4.3 平面相對位置精度

通過在三維點云或者切片點云中采取點到面、點到點的人機交互式測量模式[15]，量測地物點間距、地物的邊長，與地形圖中對應邊長或間距進行比較，計算間距較差中誤差，評價地形圖的平面相對位置精度。

4.4 地理精度

三維點云具備“所見即所得”特點，相當于把實景1∶1的搬入到電腦中，通過采集的點云數據進行人機交互式檢查地形圖的地理精度，檢查內容包括：地理要素錯漏、地理要素類別判別或符號使用錯誤、樓房層次錯誤、表達不準確等方面。如圖4所示中，由橢圓圈出的地物為通過點云檢查出地形圖漏測圍墻現象，位于房屋B2與房屋C之間有圍墻連接，長度2.2 m。

4.5 數學精度統計

本案例采用三維激光掃描檢測的C作業區地形圖的數學精度包括平面精度(絕對位置精度、相對位置精度)、高程精度匯總統計見表4，數學精度分布情況見表5。

圖4 通過點云檢查出漏測圍墻現象

表4 作業區地形圖外業檢測精度匯總表

注:Δ為較差的允許誤差

表5 數據精度分布統計情況表

5 結論

本文基于三維激光掃描技術提出測繪成果的數學精度、地理精度的檢測方法，并在生產實際中驗證其可行性、可靠性。該方法不僅可以應用于三維激光掃描技術測繪成果，也可用于傳統測繪手段獲取的測繪成果。與傳統精度檢測方法相比，本檢測方法的外業檢查人員在車內遙控掃描作業，減輕作業強度，提高作業效率，對于檢測出的錯誤可以直觀表現，便于檢查人員與測圖人員溝通以及測繪成果錯漏的進一步修改。隨著激光掃描技術在測繪領域的普及應用，本文提出的檢測方法具有廣闊的應用前景。